一種基于PSoC的電動自行車控制器的設計(下)

和正常運行時一樣，剎車過程中也需要根據當前HALL傳感器的位置進行換相，從而使得剎車過程平穩(wěn)有效。通過分析可知道，為了產生反向電流，剎車過程中的換相控制和正常運行過程中的換相的開關管導通控制是互補的。以雙側斬波為例，圖5是逆變器上個橋臂的開關管，表2是正常運行時候和剎車時候的換相表的對比。

能量再生

電動自行車的能量回收的基本工作原理是通過電機的自感電動勢、反電動勢，將存儲在電樞中的磁場能量以及車體的動能轉換成電能并保存到蓄電池。

圖5  逆變器的開關管



圖6  V2開通時刻電流方向


圖7  V2關閉時刻電流方向

假設剎車時候采用單管單側的PWM斬波，圖6、7對應某個60°電角度區(qū)間的能量再生過程。此時只有G相對應的下橋臂功率管V2在PWM的驅動下進行開關動作， 其它所有功率管關閉。 當V2導通時， 電流方向對應著圖6中虛線所示，此時電機的G相和R相的電感線圈蓄能。當G相下橋臂關斷，此時由于線圈電流必須維持相同方向逐漸衰減，因此電流經右上角V5上所并聯的續(xù)流二極管流向蓄電池，如圖7所示，此時電感線圈釋放能量，并向蓄電池和電容充電。實際上，這個能量回收的基本工作電路就是一個典型的升壓電路。

輔助電子剎車和能量回收是一個緊密相關的控制，在設計時候應同時考慮剎車效果和能量回收。在忽略制動效率和制動電壓抬高的影響，可根據蓄電池最大充電電流和額定電壓來確定最大制動功率。可以適當限制制動功率，因為設計時只能在保證蓄電池的安全的前提下才盡可能的提高剎車效果和能量回收效率。實際設計時采用滯環(huán)控制，程序實時采樣充電電流，并根據充電電流來調整PWM占空比，從而調整制動功率并保證蓄電池的安全。

中斷服務程序及主循環(huán)

在PSoC架構中，每個數字模塊和每個模擬比較總線都有獨立的中斷源，GPIO的電平變化也有相應的中斷源。在本設計中，共使用三種中斷源，即過流比較器中斷，HALL傳感器信號中斷和PWM周期定時中斷。過流保護由于實時性要求很高，并且不是規(guī)律發(fā)生的事件，可安排用中斷服務程序進行處理。如前所述，當負載發(fā)生過流時將通過硬件直接關閉PWM輸出，同時，將產生中斷通知程序進行相應的處理。而HALL傳感器信號中斷的主要工作是在HALL信號發(fā)生變化時對HALL信號進行采集判斷，并濾除電機工作中造成的強烈干擾，同時也要對諸如HALL失效，狀態(tài)錯誤等情況進行處理。PWM模塊在每個周期開始都會產生中斷信號，一般在電動自行車控制器中，PWM載波頻率為15~20KHz左右。PWM中斷是程序設計中的最主要部分，大部分重要的控制諸如電機換相，電流檢測，電池電壓檢測，剎車信號檢測等都在此處實現。同時它也是系統(tǒng)計時的基礎，所有其它長時間的定時都是基于PWM中斷，因此，PWM中斷服務程序也要負責維護所有的時鐘標志的更新工作。

主程序包括：上電初始化、剎車過程控制、巡航、調速、電池欠壓處理、堵轉處理等。實際設計中， 由于程序任務較多，如何保證電機的及時換相的前提下滿足控制的實時性要求是設計中最需要考慮的核心問題?？紤]到換相程序非常短小，可安排在PWM中斷服務程序中完成。

結語

PSoC的模擬和數字的高度集成為電動自行車控制器的發(fā)展提供一個良好的平臺。采用PSoC器件開發(fā)的電動自行車控制器具有集成度高，程序設計靈活方便，并且具有非常好的保密性。

參考文獻：
1. 陳國呈，PWM逆變技術及應用，中國電力出版社，2007
2. 王京鋒、馬瑞卿、孫純祥，無刷直流電動機換相轉矩波動的分析研究，微電機，2006.6
3. 賈愛萍、須斌、秦小雷、陳寶，電動自行車用無刷直流電動機弱磁控制技術，微特電機，2005.8
4. Cypress Semiconductor, PSoC Mixed Signal Array Technical Reference Manual (TRM), Version 2.10